Hundertausendmal d¨¹nner als ein Haar, fester als Stahl und effiziente Vermittler zwischen Licht und Strom ¨C 2D-Materialien besitzen au?ergew?hnliche Eigenschaften und ein enormes Anwendungspotenzial. Sie bestehen aus nur einer oder wenigen atomaren Lagen und unterscheiden sich drastisch von ihren dreidimensionalen Ausgangsstoffen. Ein prominentes Beispiel ist Graphen, ein einzelnes Kohlenstoffatom dickes Material, das aus Graphit isoliert wird. Graphen zeigt eine extrem hohe Beweglichkeit der elektrischen Ladungstr?ger, eine einzigartige elektronische Struktur, die zu neuen Quantenzust?nden und damit physikalischen Ph?nomenen f¨¹hrt, sowie h?chste thermische Leitf?higkeit und eine Zugfestigkeit, welche um das Vielfache h?her ist als die von Stahl.

Mit dieser Materialklasse besch?ftigte sich das nun ausgezeichnete Forschungsteam Prof. Dr. Andrey Turchanin, Dr. Antony George, Dr. Christof Neumann vom Institut f¨¹r Physikalische Chemie sowie Dr. Falk Eilenberger (Fraunhofer IOF und Institut f¨¹r Angewandte Physik). Deren Arbeit umfasst die gesamte Wertsch?pfungskette, von der Grundlagenforschung bis hin zu Prototypen f¨¹r umweltfreundliche Technologien wie Filter und Sensoren f¨¹r Chemikalien ¨C das heraussagende ist der Fokus auf die Skalierbarkeit der Methoden, bis hin zur Wavergr??e mit standardisierten Verfahren, damit Unternehmen sich diese Technologie schnell zu eigen machen k?nnen.

Detaillierte Forschungsarbeit

Grundlegende Untersuchungen und Methodenentwicklung

Das Team konzentrierte sich zun?chst auf das grundlegende Verst?ndnis der Herstellungsprozesse und Materialeffekte von 2D-Materialien. Eine zentrale Rolle spielte hierbei die Gasphasenabscheidung (CVD und MOCVD), eine Technik, bei der Materialien in einer Gasphase auf eine Substratoberfl?che abgeschieden werden. Diese Methode erm?glicht die Herstellung von extrem d¨¹nnen Schichten, die nur wenige Atomlagen dick sind.

Prof. Dr. Andrey Turchanin¡¯s Team entwickelte spezielle Techniken, um die Kristallstrukturen von Materialien wie MoS₂ (Molybd?ndisulfid), h-BN (hexagonales Bornitrid) und Graphen mit etablierten Verfahren auf Silizium- oder Glasplatten zu z¨¹chten. Diese Materialien sind in ihren 2D-Formen besonders interessant, da sie einzigartige elektronische, optische und mechanische Eigenschaften aufweisen.

Untersuchung der Materialeigenschaften

Dr. Falk Eilenberger und sein Team charakterisierten die physikalischen und chemischen Eigenschaften dieser Materialien. Besonders die ?bergangsmetall-Dichalcogenide (TMDs) standen im Fokus ihrer Untersuchungen. In ihrer 3D-Form sind TMDs indirekte Halbleiter, was ihre Anwendungsm?glichkeiten begrenzt. In der 2D-Form verwandeln sie sich jedoch in direkte Halbleiter, die Strom effizient in Licht umwandeln k?nnen und umgekehrt. Dies macht sie zu hervorragenden Kandidaten f¨¹r die n?chste Generation von Transistoren und photonischen Bauelementen.
?Durch das neue Verfahren war es uns m?glich die 2D-Materialien nicht nur effizient herzustellen, sondern diese ebenfalls skalierbar als funktionelle Bestandteile auf optischen Komponenten aufwachsen zu lassen?, erkl?rt Dr. Eilenberger. ?So k?nnen wir, unter anderen, TMD-Materialien in optische Fasern integrieren, was uns eine Reihe neuer Anwendungsm?glichkeiten er?ffnet.?

Anwendungen

Mit den gewonnenen Erkenntnissen entwickelten die Forscher gemeinsam eine Reihe von Anwendungsszenarien:

Die d¨¹nnste LED der Welt

Ein bemerkenswerter Erfolg des Teams war die Entwicklung der wahrscheinlich d¨¹nnsten Leuchtdiode (LED) der Welt. Durch die Integration von TMDs in photonische Chips gelang es den Forschern, LEDs zu entwickeln, die nicht nur extrem klein, sondern auch sehr effizient sind. Diese LEDs k?nnten in zuk¨¹nftigen Displaytechnologien und optischen Kommunikationssystemen eine wichtige Rolle spielen.

Verbesserung der Batterielebensdauer

Ein weiteres Highlight ist die Verl?ngerung der Lebensdauer von Lithium-Metall-Batterien durch den Einsatz von Kohlenstoffnanomembranen (CNMs). Diese Membranen verhindern das Wachstum von Dendriten, die die Batterien bei herk?mmlichen Separatormembranen zerst?ren. Dadurch konnte die Lebensdauer der Batterien mehr als verdoppelt werden.

Filtertechnologien und Umweltanwendungen

Die sub-Nanometerporen der CNMs eignen sich auch hervorragend f¨¹r neuartige Filtertechnologien. Diese Filter sind nicht nur energieeffizient, sondern bieten auch eine erh?hte Selektivit?t und Stabilit?t. Sie k?nnten beispielsweise zur Filtration von Schadstoffen wie PFAS in der Wasseraufbereitung eingesetzt werden.

Einzigartige Forschungsbedingungen in Th¨¹ringen

Die enge Zusammenarbeit mit der von Prof. Andrey Turchanin geleiteten Gruppe ?Applied Physical Chemistry and Molecular Nanotechnology¡° und Dr. Eilenberger war entscheidend f¨¹r den Erfolg des Projekts. Dr. Eilenberger betont dar¨¹ber hinaus die besondere Forschungsumgebung in Th¨¹ringen: ?Wir haben hier vor Ort eine ganz einzigartige Situation, die ma?geblich zum Erfolg unseres Vorhabens gef¨¹hrt hat?, sagt er mit Blick auf die Auszeichnung. ?In Th¨¹ringen und speziell in Jena trifft Photonik-Know-how auf exzellente wissenschaftliche Ausstattung, personell und technisch, und auch auf risikobereite Unternehmen, die vor innovativen Projekten nicht zur¨¹ckschrecken.?

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Mit dem Th¨¹ringer Forschungspreis ehrt der Freistaat seit 1995 einmal im Jahr wissenschaftliche Spitzenleistungen der Th¨¹ringer Hochschulen und au?eruniversit?ren Forschungseinrichtungen. Die exzellentesten Forschungsleistungen von Einzelpersonen oder Forschergruppen in den Kategorien der Grundlagen- und der Angewandten Forschung werden mit einem Preisgeld von jeweils 25.000 € und dem Forschungspreis-Award pr?miert.